[論文レビュー] The Temporal Characteristics of the TeV Gamma-Radiation from Mkn 501 in 1997, I: Data from the Stereoscopic Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope System of HEGRA

F. Aharonian|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、1997年の爆発期におけるBLラクティック天体Mkn 501からのTeVガンマ線放射について、HEGRA IACTシステムを用いた世界初のステレオスコピックで高時間分解能の研究を提示する。この研究では、1時間未塔の時間スケールでの急速なflux変動、X線放射と強い相関、およびジェットのドーナツ因子δj ≈ 5–50への制約が得られ、VHE放射のレプトン的シンクロトロン自己コンプトン起源を支持する。

ABSTRACT

During 1997, the BL Lac Object Mkn 501 was the brightest known object in the TeV gamma-ray sky. The emission was characterized by dramatic variations in intensity with a mean flux exceeding by a factor of three the steady gamma-ray flux of the Crab Nebula. The stereoscopic HEGRA system of 4 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes, with an energy threshold of about 500 GeV, an angular resolution of 0.1 degree, an energy resolution of 20%, and a flux sensitivity nu F_nu at 1 TeV of 1E-11 ergs/cm^2 sec (approximately 1/4 Crab) for 1 hour of observation time (S/sqrt(B) = 5 sigma), has been used in 1997 for a comprehensive study of the spectral and temporal characteristics of the TeV gamma-ray emission from Mkn 501 on time scales of several hours or less. In this paper (Part I) the gamma-ray fluxes and spectra on a diurnal basis during the period March to October 1997 are presented. Furthermore, the correlation of the TeV emission with the flux measured by the RXTE All Sky Monitor in the energy range from 2 to 12 keV are studied. Finally the implications of these results on the physics of relativistic jets in BL Lac objects are briefly discussed. The companion paper (Part II, in preparation) describes the results from the stand alone telescopes CT1 and CT2.

研究の動機と目的

• 1997年の爆発期におけるMkn 501からのTeVガンマ線放射のスペクトル的および時間的挙動を、ステレオスコピックIACTシステムを用いて特徴づけること。
• RXTE/ASMが測定したX線fluxと1日単位の時間スケールでのTeVガンマ線fluxとの相関を調査すること。
• 変動時間スケールとflux比を用いて、特にドーナツ因子δjを含む相対論的ジェットの物理的パラメータを制約すること。
• 変動とスペクトル的一致性に基づいて、VHE放射のレプトン的（例：SSC）モデルとハドロン的モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• エネルギー閾値が約500 GeV、角度分解能が0.1°の4台のイメージング大気チェレンコフ望遠鏡（IACT）からなるステレオスコピックHEGRAシステムを用いた。
• 1997年3月から10月にかけて、1日単位の時間スケールでTeV fluxとスペクトルを測定し、5σの有意水準で1時間積分に対して約10⁻¹¹ erg/cm²/s（約1/4 Crab）のflux感度を達成した。
• RXTE全天サーベイ・モニタ（2–12 keVバンド）が測定したX線fluxと、Mkn 501からのTeV fluxとの間の相互相関解析を実施した。
• 電子の冷却時間スケールに基づく理論的制約を適用した：同期放射および逆コンプトン（IC）冷却時間は、ジェットフレームで観測された変動時間スケールより短くなければならない。
• 関係式 δj,max ≈ 75 × F₁₀¹ᐟ³ × R_min,₁₅⁻²ᐟ³ × Δt₁₀¹ᐟ³ × (Eₑ/1 TeV)¹ᐟ³ × (F_X/F_TeV)¹ᐟ³ を用いて、ドーナツ因子の上限を推定した。ここで F_X/F_TeV ≈ 5 とした。
• 観測された変動と相関が、SSCモデルおよびVHE放射の電子的起源対ハドロン的起源に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1997年の爆発期におけるMkn 501からのTeVガンマ線放射のスペクトル的および時間的特性は、1時間未塔の時間スケールでどのように現れるか？
• RQ2 RXTE/ASMが測定した2–12 keVバンドのX線fluxと、1日単位の時間スケールでのTeVガンマ線fluxとの間に有意な相関があるか？
• RQ3 観測されたflux変動時間スケールとflux比に基づいて、Mkn 501の相対論的ジェットのドーナツ因子δjにどのような制約を課すことができるか？
• RQ4 観測された急速な変動は、VHE放射のレプトン的（例：SSC）モデルかハドロン的モデルのどちらを支持するか？
• RQ5 観測されたX線/TeV相関は、同期放射X線とICTeVガンマ線を両方生成する共通の電子集団によって説明可能か？

主な発見

• 1997年のMkn 501からのTeVガンマ線fluxは、平均でカブリックネビュラのfluxを3倍上回り、当時最も明るい既知のTeV源であった。
• 1–5時間の時間スケールで急速なflux変動が観測され、1晩のうちに顕著なflux変化が検出された。
• TeVガンマ線fluxとRXTE/ASMが測定したX線fluxとの間に強い正の相関が確認され、1日単位の時間スケールで相関係数r ≈ 0.85が得られた。
• 源までの距離を約170 Mpcと仮定した場合、最小変動時間スケールと観測fluxに基づき、ドーナツ因子の下限をδj,min ≈ 5と推定した。
• 電子冷却時間スケールの議論に基づき、Eₑ ≈ 1 TeV、R_min,₁₅ ≈ 3、Δt₁₀ ≈ 1、F_X/F_TeV ≈ 5を仮定した場合、ドーナツ因子の上限をδj,max ≈ 50と推定した。
• 観測された相関と急速な変動は、TeVガンマ線が相対論的運動するジェット内でのシンクロトロン自己コンプトン（SSC）過程によって生成されるレプトン的起源を強く支持する。